串口通信-輪詢方式

1 串口通信概述

1.1 計(jì)算機(jī)通信的基本概念

計(jì)算機(jī)通信： 將計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合，完成計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備或計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的信息交換。按照數(shù)據(jù)傳輸方式的不同，可以分為串行通信和并行通信兩類。

串行通信： 數(shù)據(jù)逐位傳輸，傳輸線少，長(zhǎng)距離傳輸時(shí)成本低，但數(shù)據(jù)的傳輸控制較復(fù)雜。按照實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步的方式，可以分為同步串行和異步串行兩種。

• 同步串行通信： 數(shù)據(jù)傳輸以數(shù)據(jù)塊（一組字符）為單位，在一個(gè)數(shù)據(jù)塊內(nèi)，字符與字符間無(wú)間隔，收發(fā)雙方依靠獨(dú)立的時(shí)鐘線進(jìn)行信號(hào)的同步。
  
• 異步串行通信： 數(shù)據(jù)傳輸以單個(gè)字符為單位，字符和字符之間的間隙任意，字符內(nèi)部每一位持續(xù)的時(shí)間相同。收發(fā)雙方?jīng)]有專門的時(shí)鐘信號(hào)，而是依靠事先約定的字符格式和通信速率來(lái)完成通信適用于大批量的數(shù)據(jù)傳輸。
  

并行通信： 多位數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸，傳輸控制簡(jiǎn)單，傳輸速度快，但是在長(zhǎng)距離傳輸時(shí)硬件成本較高。

1.2 異步串行通信

異步通信的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是字符格式和 波特率 ，字符格式?jīng)Q定了數(shù)據(jù)的傳輸形式，波特率決定了字符中每一位數(shù)據(jù)的持續(xù)時(shí)間。

字符格式

? 1 位起始位，規(guī)定為低電平；
? 5～8 位數(shù)據(jù)位，即要傳送的有效信息；
? 1 位奇偶校驗(yàn)位；
? 1～2 位停止位，規(guī)定為高電平。

常用字符格式：1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，無(wú)奇偶校驗(yàn)，1位停止位

傳輸時(shí)低位在前，高位在后，上圖發(fā)送數(shù)據(jù)為0xE9。

通信速率

波特率：每秒鐘傳送二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，以bit/s（bps）為單位。

常用的波特率有：9600、19200、38400、57600和115200；

波特率為115200，表示每秒傳輸115200位，且每一位數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)線上持續(xù)時(shí)間為Tbit= 1/115200 ≈ 8.68us

異步串行通信的數(shù)據(jù)接收過(guò)程

接收過(guò)程的本質(zhì)是數(shù)據(jù)采樣，假設(shè)接收端的采樣時(shí)鐘是波特率的16倍。

① 接收過(guò)程由起始位的下降沿啟動(dòng)；
② 接收端等待8個(gè)時(shí)鐘周期，以便建立一個(gè)接近比特周期中間的采樣點(diǎn)；
③ 接收端等待16個(gè)時(shí)鐘周期，使其進(jìn)入第一個(gè)數(shù)據(jù)位周期的中點(diǎn)；
④ 第一個(gè)數(shù)據(jù)位被采樣并存儲(chǔ)在接收寄存器中；
⑤ 串口模塊在采樣第二個(gè)數(shù)據(jù)位之前等待另外16個(gè)時(shí)鐘周期；
⑥ 重復(fù)此過(guò)程，直到所有數(shù)據(jù)位都被采樣和存儲(chǔ)；
⑦ 由停止位的上升沿使數(shù)據(jù)線返回到空閑狀態(tài)。

串口通信的數(shù)據(jù)傳輸方向

錯(cuò)誤校驗(yàn)方式

• 奇偶校驗(yàn)：奇校驗(yàn)表示數(shù)據(jù)中“1”的個(gè)數(shù)與校驗(yàn)位“1”的個(gè)數(shù)之和為奇數(shù)；偶校驗(yàn)表示數(shù)據(jù)中“1”的個(gè)數(shù)與校驗(yàn)位“1”的個(gè)數(shù)之和為偶數(shù)。
• 代碼和校驗(yàn)：發(fā)送方將所發(fā)數(shù)據(jù)塊求和，產(chǎn)生一個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)字符附加到數(shù)據(jù)塊末尾。接收方采用同樣方式進(jìn)行檢測(cè)。
• 循環(huán)冗余校驗(yàn)：通過(guò)某種數(shù)學(xué)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)有效信息與校驗(yàn)位之間的循環(huán)校驗(yàn)，常用于磁盤信息的傳輸、存儲(chǔ)區(qū)的完整性校驗(yàn)等。

2 STM32串口通信

2.1 串口收發(fā)單元

串口收發(fā)單元主要利用數(shù)據(jù)寄存器DR，發(fā)送引腳TX，接收引腳RX，以及三個(gè)通信狀態(tài)位TXE、TC和RXNE來(lái)完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

• TXE：發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器空標(biāo)志。當(dāng)TDR寄存器的內(nèi)容已經(jīng)傳送到發(fā)送移位寄存器 時(shí)，該位由硬件置1。如果串口控制寄存器CR1中的TXEIE位為1，將會(huì)觸發(fā)發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器空中斷。注意：當(dāng)TXE置1時(shí)，數(shù)據(jù)有可能還在發(fā)送。
• TC：發(fā)送完成標(biāo)志。當(dāng)發(fā)送移位寄存器的內(nèi)容發(fā)送完成，同時(shí)TDR寄存器也為 空時(shí)，該位由硬件置1，表示本次數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)完成。如果串口控制寄存器CR1中的TCIE位為1，將會(huì)觸發(fā)發(fā)送完成中斷。注意：當(dāng)TC置1時(shí)，數(shù)據(jù)才是真正地發(fā)送完成。
• RXNE：接收數(shù)據(jù)寄存器不為空標(biāo)志。當(dāng)移位寄存器的內(nèi)容已經(jīng)傳送到接收數(shù)據(jù)寄存器RDR時(shí)，該位由硬件置1。如果串口控制寄存器CR1中的RXNEIE位為1，將會(huì)觸發(fā)接收數(shù)據(jù)寄存器不為空中斷。

數(shù)據(jù)寄存器DR在硬件上分為TDR和RDR兩個(gè)寄存器，通過(guò)數(shù)據(jù)的流向進(jìn)行區(qū)分，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用了雙緩沖結(jié)構(gòu)；

發(fā)送時(shí)，數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)總線送入TDR寄存器，然后傳送到發(fā)送移位寄存器完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，從并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為串行數(shù)據(jù)，最后通過(guò)TX引腳發(fā)送；

接收時(shí)，數(shù)據(jù)通過(guò)RX引腳逐位送入接收移位寄存器，8位數(shù)據(jù)接收完成后，送入RDR寄存器，供用戶讀取。

USB轉(zhuǎn)TTL串口模塊

2.2 串口的數(shù)據(jù)類型定義

①外設(shè)句柄的定義：

HAL庫(kù)在結(jié)構(gòu)上，對(duì)每個(gè)外設(shè)抽象成了一個(gè)稱為ppp_HandleTypeDef的結(jié)構(gòu)體，其中ppp就是每個(gè)外設(shè)的名字。所有的函數(shù)都是工作在ppp_HandleTypeDef指針之下。

例如，使用USART2時(shí)，可以定義USART初始化結(jié)構(gòu)體變量（全局變量）huart2。

UART_HandleTypeDef huart2;

huart2就被稱為串口的句柄，它被貫穿整個(gè)USART收發(fā)的流程。

②外設(shè)句柄數(shù)據(jù)類型的組成：

③串口初始化數(shù)據(jù)類型：

成員變量WordLength的取值范圍

成員變量StopBits的取值范圍

成員變量Parity的取值范圍

成員變量Mode的取值范圍

成員變量HwFlowCtI的取值范圍

成員變量OverSampling的取值范圍

2.3 外設(shè)初始化設(shè)計(jì)思想

①串口初始化過(guò)程：

抽象—串口初始化函數(shù)MX_USART2_UART_Init： 將與MCU無(wú)關(guān)的通信參數(shù)存入句柄結(jié)構(gòu) + 使用HAL_UART_Init執(zhí)行串口初始化操作，將句柄參數(shù)寫入寄存器。

HAL_UART_Init 干了哪些事？

• 調(diào)用 HAL_UART_MspInit
• 修改狀態(tài)忙
• 配置寄存器
• 清除標(biāo)志位

承載—與MCU相關(guān)的初始化函數(shù)HAL_UART_MspInit ：時(shí)鐘初始化 + 引腳初始化

3 串口通信方式

• 輪詢方式：CPU不斷檢測(cè)串口的狀態(tài)標(biāo)志來(lái)判斷數(shù)據(jù)收發(fā)的情況。特點(diǎn)：程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但CPU在檢測(cè)標(biāo)志位期間，無(wú)法執(zhí)行其他任務(wù)，CPU利用率較低。
• 中斷方式：使能中斷后，接收一字節(jié)數(shù)據(jù)或發(fā)送一字節(jié)后申請(qǐng)中斷，在ISR中完成后續(xù)處理。在數(shù)據(jù)收發(fā)期間，CPU可以執(zhí)行其他任務(wù)，CPU利用率較高。
• DMA方式：初始化時(shí)設(shè)置相關(guān)參數(shù)，啟動(dòng)DMA傳輸后，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程不需要CPU的干預(yù)。傳輸完成后，再產(chǎn)生DMA中斷，由CPU進(jìn)行后續(xù)處理。傳輸效率最高。

4 輪詢方式的串口通信 ##

1. 串口初始化函數(shù)：HAL_UART_Init

   函數(shù)原型	HAL StatusTypeDef HAL_UART_Init (UART_HandleTypeDef *huart)
   功能描述	按照串口句柄中指定的參數(shù)初始化串口
   入口參數(shù)	huart:串口句柄的地址
   返回值	HAL狀態(tài)值:HAL_OK表示初始化成功,HAL_ERROR表示初始化失敗
   注意事項(xiàng)	1.該函數(shù)將調(diào)用與MCU相關(guān)的初始化函數(shù)HAL_UART_Msplnit完成時(shí)鐘、引腳和中斷等底層硬件的初始化操作2.該函數(shù)由CubeMX自動(dòng)生成

2. 接口函數(shù)：HAL_UART_Transmit

   函數(shù)原型	HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit(UART_Handle TypeDef *huart, uint 8_t *pData, uint 16_t Size, uint 32_t Timeout)
   功能描述	在輪詢方式下發(fā)送一定數(shù)量的數(shù)據(jù)
   入口參數(shù)1	huart：串口句柄的地址
   入口參數(shù)	pData：待發(fā)送數(shù)據(jù)的首地址
   入口參數(shù)3	Size：待發(fā)送數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)
   入口參數(shù)4	Timeout：超時(shí)等待時(shí)間， 以ms為單位， HAL MAX DELAY表示無(wú)限等待
   返回值	HAL狀態(tài)值：HAL_OK表示發(fā)送成功；HAL_ERROR表示參數(shù)錯(cuò)誤；HAL_BUSY表示串口被占用；HAL_TIMEOUT表示發(fā)送超時(shí)
   注意事項(xiàng)	1.該函數(shù)連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送過(guò)程中通過(guò)判斷TXE標(biāo)志來(lái)發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)，通過(guò)判斷TC標(biāo)志來(lái)結(jié)束數(shù)據(jù)的發(fā)送2.如果在等待時(shí)間內(nèi)沒(méi)有完成發(fā)送，則不再發(fā)送，返回超時(shí)標(biāo)志3.該函數(shù)由用戶調(diào)用

3. 接口函數(shù)：HAL_UART_Receive

   函數(shù)原型	HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive(UART_Handle TypeDef *huart, uint 8_t *pData, uint 16_t Size, uint 32_t Timeout)
   功能描述	在輪詢方式下接收一定數(shù)量的數(shù)據(jù)
   入口參數(shù)1	huart：串口句柄的地址
   入口參數(shù)	pData：存放數(shù)據(jù)的首地址
   入口參數(shù)3	Size：待接收數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)
   入口參數(shù)4	Timeout：超時(shí)等待時(shí)間， 以ms為單位， HAL MAX DELAY表示無(wú)限等待
   返回值	HAL狀態(tài)值：HAL_OK表示發(fā)送成功；HAL_ERROR表示參數(shù)錯(cuò)誤；HAL_BUSY表示串口被占用；HAL_TIMEOUT表示發(fā)送超時(shí)
   注意事項(xiàng)	1.該函數(shù)連續(xù)接收數(shù)據(jù)，接收過(guò)程中通過(guò)判斷RXNE標(biāo)志來(lái)發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)2.如果在等待時(shí)間內(nèi)沒(méi)有完成接收，則不再接收，返回超時(shí)標(biāo)志3.該函數(shù)由用戶調(diào)用

5 任務(wù)實(shí)踐1

在PC上利用串口調(diào)試助手發(fā)送數(shù)據(jù)到MCU，MCU調(diào)用scanf函數(shù)讀取數(shù)據(jù)，然后調(diào)用printf函數(shù)發(fā)送應(yīng)答信息到PC。

1. 串口外設(shè)配置
   

   • 異步模式，無(wú)硬件流控
   • 設(shè)置通信參數(shù)：波特率115200，8位數(shù)據(jù)位，無(wú)奇偶校驗(yàn)，1位停止位，使能接收和發(fā)送，16倍過(guò)采樣（CubeMX默認(rèn)配置）

2. 在Keil中勾選Use MicroLIB
   

3. 編寫代碼
   printf和scanf重定向

   /* USER CODE BEGIN Includes */
   #include < stdio.h >
   /* USER CODE END Includes */
   
   int fputc (int ch, FILE *f)
   {
       HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, HAL_MAX_DELAY);
       return ch;
   }
   int fgetc(FILE *f)
   {
       uint8_t ch = 0;
       HAL_UART_Receive(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, HAL_MAX_DELAY);
       return ch;
   }
   /* USER CODE END 4 */
   

   用戶應(yīng)用代碼——猜數(shù)游戲

   /* USER CODE BEGIN 3 */
       printf("Please guess a number between 0 to 9n");
       if (scanf("%d", &guess_num) == 1)
       {
         if (guess_num == ans)
         {
           printf("You are right! It's %dn", ans);
         }
         else
         {
           printf("You are wrong! It is not %dn", guess_num);
         }
       }
     }
     /* USER CODE END 3 */
   

   實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象